Старение организма, в социальном смысле довольно грустная перспектива с древних времен. И с тех же времен человечество пыталось как понять, так и бороться с проявлениями старения организма.
В настоящее время наиболее доказанными можно признать теорию старения Хаввинсона – дипептиды, связанные пептидной связью. Они расщепляют ДНК [3].
Другая, довольно распространенная теория – свободно – радикальная теория старения, предложенная Денхамом Харманом в 1950 году [4,5]. Исторически, данная теория предполагала, что свободными радикалами, а позже, активными формами кислорода, перекиси водорода и пероксинитритом активируется процесс старения организма. В настоящее время теория связывает старение с окислительным стрессом в целом [2].
И одна из последних теорий как общего, так и преждевременного старения – митохондриальная теория [1,2]. В связи с тем, что митохондрии – генераторы энергии клеток, когда происходит метаболические изменения в митохондриях – это влияет на весь метаболизм клетки [4].
И здесь есть «тонкий» момент. Сотрудники и последователи Владимира Петровича Скулачева, при изучении участия мембран митохондрий в процессе старения, подвели к мысли, что в функции митохондрий, их патологий и играют роль мембраны.
Окислительный стресс и митохондриальная дисфункция наблюдается, практически, при любых патологиях, сопровождающихся преждевременном старении, а также в течение естественного старения [3,4]. В ряде случаев естественного и, особенно, преждевременного старения, были обнаружены и рибосомальные изменения, которые также связаны с мутационными изменениями митохондриальной ДНК (мтДНК).
Процессы старения в организме отражаются некими факторами – маркерами старения – измеряемые показатели, отражающие процессы изменения в организме, адекватно показывающие его биологическое развитие.
По разным источникам время начала активации процессов старения – 25 – 35 лет, в зависимости от этнических характеристик человека.
К внутренним биомаркерам старения относятся:
Метилирование ДНК – фактор, меняющий активность генов, связанный с процессами старения [5];
Длина теломер – укорочение концевых участков хромосом [4];
Биомаркеры, отражающие состояние здоровье: уровень глюкозы, холестерина, гормонов, витаминов, показатели воспаление и окислительного стресса [6].
При обсуждении процессов старения в мембране клетки мы должны оговорить симптомы старения клетки. Выше мы говорили об основных, принятых научной общественностью, гипотезах механизмов старения, но, на наш взгляд, основного ответа так и не последовало – что является триггером начала процесса старения. Имеется в виду те изменения в системе, под названием организм, которое и включает всю последовательность патогенетических процессов. Естественно, нет однозначного ответа на философский вопрос: «А что такое старение организма на клеточном уровне?» Именно этот вопрос и был главным в дальнейших наших исследованиях.
Однако, в ключе обсуждаемой гипотезы, нас больше интересуют те свойства и биохимические процессы, которые, возможно, принимают участие в старении мембран клеток. И мы приняли как аксиому, что старение – это нарушение функционального состояния мембран, приводящих к развитию дисфункций как клетки, так и тканей организма.
Как известно, основными функциями мембран клеток являются: защитная, транспортная функции, а также газообмен, контроль функций ферментов и рецепторов мембран клеток. Все эти функции основаны на физиологических, а точнее, биофизических функций мембран [9,10].
В контексте нашей гипотезы лежат следующие свойства клеточной мембраны:
- соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в структуре фосфолипидов (ФЛ) мембраны;
- изменение ориентации полярных головок;
- фазовые переходы в молекулах фосфолипидов мембран;
- подвижность ФЛ внутри бислойной структуры мембран (латеральная миграция ФЛ, ротационная миграция ФЛ, флип – флоп миграция).
- Колебание ацильных цепей (жирные кислоты в ФЛ – ЖК);
- образование кинков и их перемещение вдоль ацильных цепей (в поперечном направлении);
- выход из бислоя.
Большую роль в функции мембран играет физико-химические свойства ФЛ, которые состоят из жирных кислот и спиртовой формы глицерина, связанного с остатком фосфорной кислоты [7,11].
Как известно, насыщенные жирные кислоты (ЖК) существуют в транс – конфигурации. Вследствие того, что насыщенные ЖК имеют высокую степень свободы, такая конфигурация энергетически более выгодна. Ненасыщенные ЖК, содержащие двойные связи и имеют цис – конфигурацию. В транс – конфигурации ненасыщенные ЖК в природе не встречаются.
Наличие головок и хвостов имеет прямое отношение к их способности организовывать мембраны. Такая архитектура молекул ФЛ энергетически эффективнее, чем раздельное пребывание в воде. Такое свойство амфифильных молекул называется полиморфизмом [8].
Другое, весьма важное свойство ФЛ мембран формировать фазовый переход. Как известно, существует две фазы существования фосфолипидных слоев: жидко - кристаллическая и кристаллическая фазы. При физиологических условиях (нормальная температура тела, нормальный ионный состав интерстиция и цитозоля) фосфолипиды представляют собой жидкий кристалл. При понижении температуры тела и под влиянием ряда факторов, фосфолипидный каркас биологической мембраны приобретает свойства твердого (димерного) кристалла. Плотность упаковки различная. Например, молекула лецитина занимает в твердокристаллическом состоянии поверхность в 0,46 – 0,48 nμ2, а в жидкокристаллическом состоянии – 0,6 – 0,8 nμ2. И чем больше двойных связей в ненасыщенных жирных кислотах, тем ниже температура, при которой они становятся твердыми кристаллами.
При физиологических условиях текучесть биологических мембран уменьшается, при повышении в них содержание холестерина, ионов Са2+и Mg2+. В зависимости от концентрации двухвалентных ионов меняется отрицательный заряд на головках ФЛ и ослабляет их взаимное отталкивание, что приводит к более плотной упаковке в мембранах [8 - 12].
Характерными свойствами жидких кристаллов является их способность к преобразованию в твердокристаллическую фазу и возвращению в прежнее состояние при определенных условиях. Фазовые переходы мембран происходят в физиологических условиях под действием ряда агентов. Но что очень важно, эти изменения фаз могут происходить не во всем объеме мембраны, а в небольших ее участках (там, где активизируются соответствующие агенты – см. таблица 1, цит. по [5]).
Таблица 1. Стимулирующие агенты фазовых переходов и ответы на них
|
Стимулы
|
Ответные реакции
|
|
рН |
Химический ответ (стимуляция или ингибирование)
|
|
Температура |
Изменяет форму (сжатие или набухание)
|
|
Химические и биологические агенты
|
Изменение проницаемости Разделение фаз (осаждение) |
|
Растворители и соли |
Оптический ответ (помутнение, обеспечивание, изменение цвета)
|
|
Электрическое поле |
Изменение поверхностных свойств (Становится несмачиваемыми)
|
|
Электромагнитное излучение |
Механический ответ (затвердевание или размягчение)
|
|
Механическое воздействие |
Электрический ответ (Электрический сигнал или электрохимическая реакция)
|
И, наконец, фазовый переход представляет собой кооперативный процесс, который подчиняется закону «все или ничего» при главном изменении силы агента (раздражителя): физико – химические свойства биологических мембран (энергия активации, вязкость и др.) изменяется скачкообразно. Небольшой участок мембраны становится твердым кристаллом. Аналогично совершается и обратный фазовый переход, когда твердокристаллическая фаза сменяется жидкой (с более низкой вязкостью) [11,12].
Изменение фазы фосфолипидов существенно влияет на активность ферментов и рецепторов, связанных с мембраной, а также на биохимические процессы как в мембране, так и в межклеточном веществе. Однако, мембранным белкам также свойственно жидкокристаллическое состояние, и они могут испытывать фазовый переход. Природа жидко – кристаллического состояния биологических мембран обусловлено высокой подвижностью мембранных компонентов.
И последний элемент, принимающий участие в процессе старения мембраны – некоторые виды подвижности липидов мембран.
Виды подвижности липидов
1. Изменение ориентации полярных головок;
2. Латеральное движение (латеральная миграция) – перемещение в одном ряду биологических мембран – латеральная миграция;
3. Колебание ацильных цепей;
4. Образование кинков и их перемещение вдоль ацильных цепей (в поперечном направлении);
5. Ротационная подвижность (вращение вокруг длинной оси). Скорость вращательной диффузии для компонентов различных мембран неодинакова (2*10-5 – 2 *102С);
6. Переход, с одной стороны, бислоя на другую (по типу флип – флоп миграции);
7. Выход из бислоя.
Виды подвижности липидов в бислое очень глубокая и разносторонняя тема и требует отдельной статьи. поэтому мы разберем лишь те из них, которые, согласно нашей гипотезы, принимают участие в старении мембран.
Из всех видов подвижности ФЛ нас интересует латеральное движение (латеральная миграция) – перемещение в одном ряду биологических мембран и ротационная подвижность (вращение вокруг длинной оси – передвижение при физиологических условиях функционирования мембран. Что обеспечивают эти виды подвижности, какие факторы могут влиять на них. Взаимодействие с факторами межклеточного вещества (например, дзета-потенциал и другие физико – химические факторы).
Латеральное движение (латеральная миграция) – передвижение молекул ФЛ внутри одного слоя. Большой свободой движения обладают липиды, среднее время пребывания в одном пункте мембраны не более 10-7секунды. Следовательно, мембранные липиды за счет латеральной миграции меняются местами, причем каждая молекула меняет своих соседей миллион раз в секунду, передвигаясь со скоростью 5 – 10 мкл*сек-1.
Скорость ротационной миграции примерно такая же, как и у ФЛ при латеральной миграции и близка к эквивалентной как скорость свободной диффузии в вязкой среде (например, в оливковом масле). Однако, скорость ротации молекул ФЛ относительно поверхности мембраны довольно высокие . Так, поворот на 1 радиан совершает примерно за 10-9 сек., родопсин – за 10-4 сек.. цитохромоксидаза – за 10-4 сек. (это время коррекции вращательного движения).
Основная особенность жидко – кристаллического состояния – сочетание высокой упорядоченности с большой подвижностью молекулярных компонентов биологических мембран. Но что самое удивительное, сама лабильность жидких кристаллов обеспечивает поддержание стабильности образуемых ими структур в открытой системе при меняющихся условиях ее существования. А если присовокупить упаковку жирных ненасыщенных кислот, входящих в состав ФЛ мембран, которые могут формировать менее плотную упаковку, чем может усилить обмен электролитов.
Данные по движению фосфолипидов в бислое были получены с помощью метода спиновых меток подвижности компонентов мембран (ЭПР) [12].
И, наконец, липиды, в том числе и фосфолипиды мембран обновляются довольно быстро: период полужизни у ФЛ колеблется от 15 до 80 часов, а у холестерина от 24 до 140 часов. Однако, это не приводит к замене целых мембранных систем, т.к. скорости обновления молекул разных типов в одних и тех же биологических мембран варьируют в широких пределах [8].
Возникает вопрос, влияет ли подвижность ФЛ на фазовый переход. Ответ, как говорится, на поверхности: с точки зрения термодинамики, чем выше кинетическая энергия, тем сложнее стабилизировать плотность упаковки ФЛ и, поэтому, при действии определенных факторов (см. таблицу 1), при замедлении подвижности ФЛ приводит к формированию локусов кристаллической фазы, а значит может произойти скачкообразный переход в кристаллическую фазу со всеми изменениями, характерными для этой фазы. Естественно, повышение физиологических, патологических и фармакологических агентов может изменить направление фазового 09перехода.
Старение мембран
При воздействии определенных факторов и состояний в мембране, при фазовом переходе образуются больше локусов, формирующих твердо – кристаллическое состояние, снижается скорость локальной миграции ФЛ и их ротационной миграции. Кроме того, возможно ингибирование ферментов, принимающих участие в флип – флоп миграции (флиппаза – АТФаза – П [12]).
Как следствие, нарушается водно – солевой обмен (обмен электролитов), доступ газов, в частности, кислорода в клетку, нарушаются обмены веществ, повышается пул свободных радикалов, усиливается нарушение в функции РНК и ДНК в ядре клетки, межклеточное вещество снижает потенциал рН.
Это также касается физиологических и биохимических процессов в клетке.
Процесс растянут по времени (от месяцев до лет) т.к. система защиты работает эффективно, но экологические и токсические факторы (употребление психостимуляторов, курение, гиподинамия, болезни и т.д.) ингибируют активность ферментов в клетках и тканях организма.
Основная идея данной гипотезы – старение мембран это триггер начала системного процесса нарушения метаболизма организма т.е. старения организма.
Мы пытаемся подтвердить реальность данной гипотезы на модели бислойных мембран.